Pontificia Universidad Católica del Ecuador Escuela de Ciencias Químicas 1.- DATOS INFORMATIVOS: MATERIA: Fisicoquímica II (Teoría y Laboratorio) CODIGO: 12824 CARRERA: Ciencias Químicas, mención Química Analítica NIVEL: Quinto NO. CREDITOS: 5 CRÉDITOS TEORIA: 3 CRÉDITOS PRÁCTICA: 2 SEMESTRE/ AÑO ACADEMICO: Primero 2008-2009 PROFESOR: Sandra Faieta, PhD (Ciencia de materiales) Ciencia de materiales cerámicos, materias primas cerámicas, análisis térmico Atención estudiantes: Martes 10h00 a 12h00 smfaieta@puce.edu.ec 2991700 ext. 1556 2.- DESCRIPCIÓN DE LA MATERIA: El presente curso es la continuación de la Físicoquímica I para estudiantes de la carrera de Química Analítica y se enfoca específicamente en el equilibrio y la cinética químicos. Inicia con la formulación termodinámica de equilibrio químico, prosigue con la presentación de los aspectos experimentales de la cinética de las reacciones químicas, analizando casos complejos y específicos, y finaliza con la explicación de la dinámica molecular de las reacciones químicas. El laboratorio constituye un complemento experimental de la asignatura; por consiguiente, está dedicado a la determinación experimental del equilibrio químico y de la cinética de las reacciones químicas. 3.- OBJETIVO GENERAL: Continuar con el estudio, iniciado en Fisicoquímica I, de los principios físicos que gobiernan las propiedades y el comportamiento de los sistemas químicos. 4.- OBJETIVOS ESPECÍFICOS: El estudiante al término del semestre estará en capacidad de: 1. Definir y aplicar los conceptos de potencial químico y fugacidad a los problemas de equilibrio de fases.
2. Determinar la composición de equilibrio para una reacción química a partir de su estequiometria, la temperatura y la presión. 3. Racionalizar el comportamiento macroscópico de los sistemas en equilibrio a partir de los tres principios básicos de la Termodinámica. 4. Determinar experimentalmente la velocidad de una reacción química y su dependencia a factores tales como concentración, temperatura y presencia de catalizadores. 5. Visualizar cómo la velocidad total y el comportamiento complejo de algunas reacciones se pueden expresar en términos de pasos elementales y de eventos atómicos que tienen lugar cuando las moléculas se juntan. 6. Describir los eventos físicos y químicos que tienen lugar en las superficies, incluido el fenómeno de catálisis. 5.- CONTENIDOS: PARTE I: Equilibrio químico 1 Equilibrio químico 1.1 Reacciones químicas espontáneas 1.1.1 Energía de Gibbs mínima 1.1.2 Descripción de equilibrio 1.1.2.1 Equilibrio de gases ideales 1.1.2.2 Un caso general de reacción 1.1.2.3 Relaciones entre constantes de equilibrio 1.2 Respuesta del equilibrio a las condiciones 1.2.1 Efecto de la presión 1.2.2 Efecto de la temperatura 1.2.2.1 Ecuación de van t Hoff 1.2.2.2 Valor de K a distintas temperaturas 1.2.3 Efecto del ph 1.2.3.1 Equilibrio ácido-base en agua 1.2.3.2 El ph de ácidos y bases 1.2.3.3 Titulaciones ácido-base 1.2.3.4 Forma exacta de la curva de ph 1.2.3.5 Uso del equilibrio para estabilizar ph 1.2.3.6 Uso del equilibrio para detectar cambios de ph PARTE II: Velocidades de las reacciones químicas. 2. Cinética química empírica 2.1 Técnicas experimentales 2.1.1 Monitoreo del progreso de una reacción 2.1.2 Aplicación de las técnicas 2.2 Las velocidades de las reacciones 2.2.1 Definición de velocidad 2.2.2 Ecuaciones de velocidad y constantes de velocidad 2.2.3 Orden de reacción 2.2.4 Determinación del orden de una reacción 2.3 Ecuaciones de reacción integradas 2.3.1 Reacciones de primer orden 2.3.2 Vidas medias y constantes de tiempo
2.3.3 Reacciones de segundo orden 2.4 Reacciones próximas al equilibrio 2.4.1 Reacciones de primer orden cercanas al equilibrio 2.4.2 Métodos de relajación 2.5 Dependencia de la velocidad de reacción a la temperatura 1.5.1 Parámetros de Arrhenius 1.5.2 Interpretación de los parámetros 3. Explicación de las ecuaciones de velocidad 3.1 Reacciones elementales 3.2 Reacciones elementales consecutivas 3.2.1 Variación de la concentración con el tiempo 3.2.2 Etapa de velocidad determinante 3.2.3 Aproximación al estado estacionario 3.2.4 Pre-equilibrio 3.3 Reacciones unimoleculares 3.3.1 Mecanismo de Lindemann-Hinshelwood 3.3.2 Energía de activación de estas reacciones 3.4 Reacciones en cadena 3.4.1 Ecuaciones de velocidad de reacciones en cadena 3.4.2 Explosiones 3.5 Catálisis homogénea 3.5.1 Características de la catálisis homogénea 3.5.2 Enzimas PARTE III: Dinámica molecular de las reacciones químicas 4. Encuentros entre reactivos 4.1 Teoría de las colisiones 4.1.1 Velocidad de colisiones en gases 4.1.2 Requerimiento de energía 4.2 Reacciones controladas por la difusión 4.2.1 Clases de reacciones 4.2.2 Difusión y reacción 4.3 Ecuación de balance de material 5. Teoría del complejo activado 5.1 Ecuación de Eyring 5.2 Aspectos termodinámicos 6. Dinámica de las colisiones moleculares 6.1 Colisiones reactivas 6.2 Superficies de energía potencial DESARROLLO CURRICULAR DE CADA SESIÓN FECHA Lu 18/08/08 Mi 20/08/08 Ju 21/08/08 Lu 25/08/08 Mi 27/08/08 Ju 28/08/08 Lu 01/09/08 Mi 03/09/08 TEMA A TRATAR Lectio brevis. Revisión de propiedades termodinámicas. Revisión de propiedades termodinámicas. Revisión de propiedades termodinámicas. Equilibrio químico. Reacciones químicas espontáneas. Energía de Gibbs mínima. Descripción de equilibrio. Equilibrio de gases ideales. Un caso general de reacción. Relaciones entre constantes de equilibrio. Relaciones entre constantes de equilibrio.
Ju 04/09/08 Lu 08/09/08 Mi10/09/08 Ju 11/09/08 Lu 15/09/08 Mi 17/09/08 Ju 18/09/08 Lu 22/09/08 Mi 24/09/08 Ju 25/09/08 Lu 29/09/08 Mi 01/10/08 Ju 02/10/08 Lu 06/10/08 Mi 08/10/08 Lu 13/10/08 Mi 15/10/08 Ju 16/10/08 Lu 20/10/08 Mi 22/10/08 Ju 23/10/08 Lu 27/10/08 Mi 29/10/08 Ju 30/10/08 Mi 05/11/08 Ju 06/11/08 Lu 10/11/08 Mi 12/11/08 Ju 13/11/08 Lu 17/11/08 Mi 19/11/08 Ju 20/11/08 Lu 24/11/08 Mi 26/11/08 Ju 27/11/08 Lu 01/12/08 Mi 03/12/08 Ju 04/12/08 Lu 08/12/08 Mi 10/12/08 Ju 11/12/08 Respuesta del equilibrio a las condiciones. Efecto de la presión. Efecto de la temperatura. Efecto del ph. Equilibrio ácido-base. El ph de ácidos y bases. Titulaciones ácido-base. Forma exacta de la curva de ph. Uso del equilibrio para estabilizar ph. Uso del equilibrio para detectar cambios de ph. Cinética química empírica. Técnicas experimentales. Monitoreo del progreso de una reacción. Aplicación de las técnicas. Las velocidades de las reacciones. Definición de velocidad. Ecuaciones de velocidad y constantes de velocidad Orden de reacción. Determinación del orden de una reacción. Ecuaciones de reacción integradas. Reacciones de primer orden. Vidas medias y constantes de tiempo Primer examen parcial. Revisión del examen. Reacciones de segundo orden. Reacciones cercanas al equilibrio. Reacciones de primer orden próximas al equilibrio. Dependencia de la velocidad de reacción a la temperatura. Parámetros de Arrhenius Parámetros de Arrhenius. Interpretación de los parámetros Explicación de las ecuaciones de velocidad. Reacciones elementales. Reacciones elementales consecutivas. Variación de la concentración con el tiempo Etapa de velocidad determinante Aproximación al estado estacionario. Pre-equilibrio. Reacciones unimoleculares. Mecanismo de Lindemann-Hinshelwood Energía de activación de estas reacciones. Segundo examen parcial. Revisión del examen. Reacciones en cadena. Ecuaciones de velocidad de reacciones en cadena. Explosiones Cinética de polimerización. Polimerización por etapas. Polimerización en cadena Catálisis homogénea. Características de la catálisis homogénea. Enzimas. Encuentros entre reactivos. Teoría de las colisiones Velocidad de colisiones en gases Requerimiento de energía. Reacciones controladas por la difusión Difusión y reacción. Ecuación de balance de material Teoría del complejo activado. Ecuación de Eyring Tercer examen parcial. Revisión del examen. Aspectos termodinámicos. Dinámica de las colisiones moleculares. Colisiones reactivas Superficies de energía potencial
PRÁCTICAS DE LABORATORIO Fecha Laboratorio Agosto 21 28 Entrega de material e indicaciones generales. Normas de seguridad. Equilibrio químico. Septiembre 4 11 18 25 Estudio de la cinética de la reacción yoduro-persulfato. Cinética de la hidrólisis del acetato de metilo en medio ácido. Cinética de la hidrólisis del acetato de etilo por conductometría. Cinética de la formación del ácido carbónico a partir del dióxido de carbono. Octubre 02 16 23 30 Estudio cinético de la yodación de la ciclohexanona en medio ácido. Cinética de la oxidación del ion Fe(II). Efecto salino en la cinética de la reacción de yoduro-persulfato. Cinética de la hidrólisis de un éster en medio básico. Obtención de la ecuación de Arrhenius. Noviembre 5 12 17 20 27 Cinética de la hidrólisis de un éster en medio ácido. Obtención de la ecuación de Arrhenius. Cinética de descomposición catalítica del peróxido de hidrógeno. Cinética de la isomerización del ácido maléico a ácido fumárico catalizada por tioúrea. Catálisis ácida específica de la hidrólisis del acetato de metilo. Cinética de inversión de la sacarosa por polarimetría. Diciembre 04 11 Cinética de mutarrotación de la glucosa por polarimetría. Entrega de canceles y examen final 6.- METODOLOGÍA: Los temas del curso se desarrollarán mediante exposiciones teóricas por parte de la profesora, complementadas por la participación de los alumnos. El aprendizaje se reforzará mediante la resolución dirigida de problemas y la lectura por parte de los estudiantes de textos cortos escogidos por la profesora. El método de la parte práctica del curso es estrictamente experimental, utiliza una guía para los experimentos, la misma que será entregada por parte de la profesora previo a la realización de la práctica. Cada experimento requiere de los conocimientos teóricos
a fin de interpretar los datos experimentales obtenidos en el laboratorio, de ahí que es obligación del estudiante revisar previamente la teoría correspondiente a cada sesión de laboratorio 7.- EVALUACIÓN: En la parte teórica de la materia, los estudiantes serán evaluados durante el semestre mediante tres exámenes parciales, cada uno sobre cinco puntos. Adicionalmente, se enviarán a los estudiantes tres conjuntos de ejercicios y problemas a resolver en la casa, de manera individual, y que deberán ser entregados a la profesora en fechas a convenir, antes de cada examen parcial. Cada conjunto de ejercicios se evaluará sobre un punto, el cual se sumará a la nota de cada examen parcial, de tal manera que se entregará a Secretaría tres calificaciones parciales sobre seis puntos cada una. Las calificaciones parciales sumarán 18 puntos y el examen final será sobre 12 puntos. El total de la nota de teoría será sobre 30 puntos. En la parte práctica de la materia, los estudiantes serán evaluados mediante la presentación de informes de laboratorio. Se pasarán a Secretaría tres notas parciales sobre seis puntos cada una. Cada nota parcial será el promedio de cuatro o cinco informes de laboratorio. Las calificaciones parciales sumarán 12 puntos y el examen final será sobre 8 puntos. El total de la nota de laboratorio será sobre 20 puntos. 7.1 Cronograma de evaluaciones: Teoría: 1º Examen parcial miércoles 8 de octubre del 2008 2º Examen parcial miércoles 5 de noviembre del 2008 3º Examen parcial miércoles 3 de diciembre del 2008 7.2 Sistema de calificación: Teoría: 1º Examen parcial 5 puntos 1º Conjunto de problemas resueltos 1 punto 2º Examen parcial 5 puntos 2º Conjunto de problemas resueltos 1 punto 3º Examen parcial 5 puntos 3º Conjunto de problemas resueltos 1 punto 7.3 Fecha de entrega de calificaciones en Secretaría: Teoría: 1º Examen parcial miércoles 15 de octubre del 2008 1º Conjunto de problemas resueltos miércoles 15 de octubre del 2008 2º Examen parcial miércoles 12 de noviembre del 2008 2º Conjunto de problemas resueltos miércoles 12 de noviembre del 2008 3º Examen parcial miércoles 10 de diciembre del 2008 3º Conjunto de problemas resueltos miércoles 10 de diciembre del 2008 Laboratorio: 1ª Nota parcial: viernes 10 de octubre del 2008 2ª Nota parcial: miércoles 12 de noviembre del 2008 3ª Nota parcial: miércoles 10 de diciembre del 2008
8.- BIBLIOGRAFÍA: Textos de referencia: Atkins, P.W. y DePaula, J. (2002), Physical Chemistry, 7 ed., W.H.Freeman and Company, New York. Chang, R. (2000), Physical Chemistry for the Chemical and Biological Sciences, University Science Books, Sausalito. Atkins, P.W. (1994), Physical Chemistry, 5 ed., Oxford University Press, Oxford. Atkins, P.W. (1991), Fisicoquímica, 3 ed., Wesley Iberoamericana, Wilmington. Textos recomendados: Levine, I.N. ((2004), Fisicoquímica, 5 ed., McGraw-Hill, Madrid. Bertrán Rusca, J. y Núñez Delgado, J. (coords.) (2002), Química Física, Ariel Ciencia, Barcelona. Castellan, G.W. (1987), Fisicoquímica, 2 ed., Addison-Wesley Iberoamericana, Wilmington. Aprobado: Por el Consejo de Escuela f) Director de Escuela fecha: Por el Consejo de Facultad f) Decano fecha: